干旱区潜水蒸发规律及土壤水分数据同化研究

摘要

水资源是人类乃至整个生态系统不可或缺的资源，特别是在干旱区，由于降水稀少，地下水成为当地水源补给的主要方式。随着潜水蒸发进行，盐分会随着地下水对土壤水的补给过程逐渐被带到地表，最终在地表积盐，形成土壤盐渍化。土壤盐渍化直接导致农田减产，对当地农业发展造成不可挽回的消极影响，同时还对当地的生态环境以及生态系统产生巨大的影响。
　　通过利用室内蒸渗仪在室内进行毛细水上升试验，研究不同潜水溶解性总固体（Total Dissolved Solids，TDS）和土壤质地对毛细水上升规律的影响，同时进行潜水蒸发试验，研究潜水 TDS、潜水埋深以及蒸发强度对潜水蒸发规律的影响，并对潜水蒸发机理进行分析。在此基础上，对不同潜水埋深以及不同潜水TDS组成的四组蒸渗仪进行数据同化试验研究，利用底层水分通量识别模型参数，将集合卡尔曼滤波同化算法耦合到数值模拟模型HYDRUS中，进行土壤水分数据同化研究。该研究对干旱区盐碱地水盐调控、盐渍地治理以及地下卤水开发利用具有一定的借鉴意义。论文主要研究内容及成果如下：
　　(1)潜水TDS含量不同时，壤质砂土其毛细水上升高度按次序排序：3g/L＞30g/L＞70g/L＞0.6g/L，毛细水上升高度与时间呈对数函数关系，相关系数高达98%；砂质壤土其毛细水上升高度按次序排序：3g/L＞0.6g/L＞30g/L＞70g/L，毛细水上升高度与时间呈幂函数关系，相关系数高达97%。潜水TDS含量的增加不但改变了毛细水重力势还对土壤颗粒结构产生影响，因此在不同 TDS水体处理下的不同土质，其毛细水重力势和基质势的变化规律也不尽相同。潜水TDS不变的情况下，试验初期壤质砂土毛细水上升速度较快，到试验后期两种土质的土壤毛细水上升趋势相近，且就上升高度而言，壤质砂土高于粉砂质壤土。
　　(2)在潜水埋深对潜水蒸发的影响方面，当外界条件不变时，随着潜水埋深变浅，潜水蒸发强度及潜水累积蒸发量逐渐增大，并且随着潜水埋深变浅以及土层深度加深，土壤含水率逐渐增多；而随潜水埋深变浅，其剖面相同深度的含盐量增多，土层深度的增加也使土壤含盐量逐渐增多，潜水埋深的不同，使相同条件下的不同土柱变化规律呈现出明显的差异。
　　(3)在潜水TDS对潜水蒸发的影响方面，当外界条件不变时，随潜水TDS的浓度加大，潜水蒸发强度逐渐减弱且潜水蒸发量也随之降低；随着TDS浓度升高，土壤剖面含水率逐渐降低；潜水TDS含量较低时，其各层土壤含盐量差距不明显，而随着潜水TDS含量逐渐增大，土壤表层中土壤含盐量呈减小趋势，而在土壤下层中土壤含盐量不断上升，且积盐深度也随之不断加深。
　　(4)在光照强度对潜水蒸发的影响方面，当外界条件不变时，光照强度越强，土壤水分变化越剧烈；距离供热源越近，土壤温度变化幅度越大，土壤含水率受温度势梯度的影响而变化幅度较大；距离供热源越远，温度势对土壤含水率的作用逐渐减弱，而土壤基质势吸力则控制该处的土壤含水率，使其变化幅度较小。
　　(5)将集合卡尔曼滤波同化算法耦合到HYDRUS数值模拟模型中，进行土壤含水量单点数据同化研究，通过同化表层实测土壤含水量数据，对于提高表层及浅层的土壤含水量预测精度效果显著，而对于土层90cm深度处，仅同化表层含水量数据，土壤水分同化效果并不理想。

目录

第一章 引言

1.1研究目的及意义

1.2国内外研究进展

1.3研究内容与技术路线

1.4本章小结

第二章 毛细水上升规律研究

2.1试验材料与方法

2.2影响土壤毛细水上升高度的因素及其机理分析

2.3本章小结

第三章 潜水蒸发规律及机理研究

3.1试验材料与方法

3.2不同潜水埋深对潜水蒸发影响情况

3.3不同潜水TDS对潜水蒸发影响情况

3.4光照强度对潜水蒸发影响情况

3.5本章小结

第四章 非饱和土壤水分运动参数分析

4.1土壤水分特征曲线的确定

4.2非饱和导水率研究

4.3土壤水分扩散率的研究

4.4比水容重的研究

4.5土壤水分运动方程

4.6本章小结

第五章 潜水蒸发条件下土壤水分数据同化研究

5.1数据同化系统

5.2数值模拟模型

5.3集合卡尔曼滤波同化算法

5.4数据同化结果分析

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1主要结论与创新点

6.2展望

参考文献

硕士期间参与课题与成果

致谢

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